TEORIA DE VOLADURA DE ROCAS

EXPLOSIVOS

“Los explosivos son compuestos químicos, sólidos o líquidos, que bajo la acción de un estímulo externo

(onda de choque) se llega a transformar en gases y vapor de agua en fracción de segundos, creando así

grandes presiones y temperaturas, y por ende, una gran energía debido a que se multiplica su volumen inicial.

Este gran desprendimiento de calor y energía que en la práctica se denomina detonación y explosión, se

aprovecha en toda su magnitud para fragmentar rocas o minerales ( trabajo mecánico)”.

DINAMITA

Considerada dentro de la gama de “ Altos Explosivos”, tiene una velocidad de detonación que va desde los

3,000 hasta los 4,000 m./seg. de acuerdo a sus características de fabricación de acuerdo a las necesidades de

la actividad minera o civil.

Existen tres elementos que son los principales componentes de la dinamita:

N.G + N + Sustancia absorbentes

La nitroglicerina nos provee la sensibilidad, el N el oxígeno (puede ser de potasio o de amonio), y las

sustancias absorbentes sirven de estabilizadores (harina de trigo, aserrín, almidón: son de composición porosa

para que sean absorbentes). A falta de uno de estos elementos no hay dinamita. Los porcentajes de cada

componente están regulados y varían con la marca de cada dinamita, generalmente contiene de 30 a 90% de

NG.

La N.G. (glicerina + ácido nítrico) químicamente pura tiene una densidad de 1.6, una velocidad de

detonación de 7,000 a 8,000 m/s y una temperatura de explosión de 4,000°C.

2 C3H5 (NO2 )3 O3 6CO2 + 5H2O + 3N2 + O

Entre las principales características de la dinamita, tenemos.

Potencia ..................................................... 40 a 100%.

Velocidad de detonación............................ 3,500 a 6,000 m/s.

Densidad ................................................... 1 – 1.4 .

Calor de Explosión (Energía)..................... 500 a 1,000 Kcal/Kgr.

Balance de Oxígeno.................................... 0 a +3.

Prueba de Martillo...................................... 15 a 25 cm. con martillo de 5kg.

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Dinamita SEMEXA:

Dinamita semigelatinosa muy versátil, de fuerte poder rompedor y alta resistencia al agua, para uso en voladura de rocas intermedias y tenaces. Por su gran adaptabilidad y rendimiento se usa ampliamente en minería subterránea, tunelería, canteras y carreteras. Igualmente como cebo iniciador de Agentes de Voladura como el EXAMON. Se suministra en tres tipos : 45, 60 y 65.

ANFO:Es un sólido cristalina blanco, muy oxidante, higroscópico y soluble en agua con un contenido de 35.4 % de Nitrógeno, cuya densidad varía de 0.75 a 0.90 gr/cm.cúbico. En su forma granulas es bastante porosa, lo que permite una fácil adsorción de la humedad. Se presenta en dos formas: en “prills” y semicirculares, teniendo mayor rendimiento los primeros por su adsorción en forma uniforme en todas sus caras.Características:

Velocidad de Detonación............................ 2,500 a 3,600 m/s. Potencia...................................................... 50 a 60 %. Presión de Detonación ............................. 45 KB. Densidad..................................................... 0.8 a 0.9 . % Crítico de agua........................................ 9% del peso de la carga .

“La máxima velocidad de detonación se obtiene cuando el oxígeno de reacción está en equilibrio en la mezcla.

Esto es cuando el oxígeno del NO3 reacciona con el Hidrógeno y con el Carbono del petróleo para formar CO2

y H2O.

Cuando el contenido de petróleo es más bajo se produce un exceso de O2 formándose los óxidos de nitrógeno

NO y NO2 que son altamente venenosos a baja concentración. Cuando existe deficiencia de O2 se forma el

gas de Monóxido de Carbono y se produce la detonación más baja”.

Se tiene que la velocidad de detonación aumenta a mayor tamaño de “prills”, a mayor diámetro de taladro; y, a

mayor atacado aumenta la densidad con el consiguiente aumento de 10 a 12% de la potencia.

El "diámetro crítico" de taladro se sitúa en 1.

- Cálculo del % en peso de la mezcla AN/FO:

100 Lb NO3 NH4 94.48 % X 5.52 % X = 5.842 Lb de petróleo.

5.842 Lb x 0.454 Kgr. = 2.641 Kg. Lb

El P.e del petróleo es 0.849 Kg/dm3 ; luego : 2.641 Kg x dm3 = 3.118 dm3.

0.847 Kg

El petróleo en galones = 3.118 dm3 = 0.823 glns ( cantidad de petróleo por saco de 100 Lb

3.785 dm3/gln de Nitrato de Amonio)

Podemos afirmar que el tipo de detonador o carga primaria iniciadora tiene efecto sobre el comportamiento de la detonación inducida en la columna explosiva. A partir del punto de iniciación comienza un régimen de arranque, en que el explosivo de baja sensibilidad detona con una velocidad creciente hasta

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alcanzar su régimen constante. Recién aquí, la velocidad de detonación se mantiene virtualmente invariable, sin tener necesariamente el valor máximo posible capaz de lograrse en condiciones óptimas. El régimen de arranque puede transcurrir sobre una distancia muy corta ( menos de 1 diámetro de taladro, o excesivamente larga ( 10 diámetros ) antes de alcanzar el régimen constante; incluso puede mantenerse sin llegar al régimen constante en todo el largo de la columna ( deflagración ) o extinguirse ( tiro cortado ). Las condiciones adversas que se acaban de nombrar usualmente definen la deficiencia de un disparo.

Como conclusión de estudio de la influencia del cebo sobre el desenvolvimiento de la columna explosiva de baja sensibilidad cabe indicar lo siguiente: en cuanto a la ubicación del cebo, se ha demostrado que debe colocarse en el punto de mayor confinamiento, que invariablemente corresponde al fondo del taladro. Debe tener alta presión de detonación, que según los estudios no debe ser menor de 40 Kbar cuando el diámetro del cebo es suficientemente grande, y de 80 KBar cuando tiene un diámetro de dimensiones reducidas. El largo del cebo que va a la par con su peso, tiene influencia notoria, cuanto más largo mejor habiéndose experimentado que lo mínimo variable debe de ser por lo menos igual a uno o dos diámetro de taladro.El parámetro de mayor importancia, sin quitar el valor de las anteriores, es el diámetro del cebo. Este en su expresión óptima, debe ser igual al diámetro del taladro. Cuando la superficie de la base cilíndrica del cebo es pequeña en comparación con la superficie de la sección del taladro, la transmisión de una onda de presión en la porción de su área igual al área del cebo. De ahí la onda de detonación debe progresar en forma autosostenida, expandiéndose hasta cubrir el área que corresponde al diámetro total del taladro. La combinación adversa, que reúne al ANFO con un solo detonador de pequeña carga explosiva y diámetro reducido puede provocar que ese ANFO, por ejemplo, inicie su detonación con una velocidad de solo 600 m/s, lo que en realidad corresponda a una deflagración, y que su régimen de arranque sea 6n ó más diámetros de taladro. la presión generada por el cebo se reduce proporcionalmente. Así, el explosivo de baja sensibilidad recibirá

EXAMON :

Es un agente de voladura granular tipo NCN ( Nitro - Carbo - Nitrato ) seco, para uso en minería subterránea y aplicable en rocas Intermedias, friables o materiales semiconsolidados secos.Tiene componentes especiales que garantizan su fluidez y disminuyen la posibilidad de acumulación de electricidad estática por fricción en el carguío neumático, y que incrementan sus propiedades explosivas con respecto al ANFO sustituyéndolo con ventaja o sirviéndole como carga de fondo en taladros difíciles. Para asegurar su detonación a máxima velocidad, lo que garantiza el mayor rendimiento y adecuado balance químico de reacción, recomendamos iniciarlo con un cebo adecuado como la SEMEXA en taladros hasta de 2" de diámetro, y de GELATINA o preferentemente un booster HDP en los de mayor diámetro. En las citadas condiciones sus humos son de primera categoría.Se suministra en tres tipos : P, V y X , con valores de fuerza crecientes. Presentado a granel en bolsas de 25 Kg.

Propiedades :

Potencia Relativa por Peso .............. 140. Potencias referidas al ANFO conPotencia Relativa por Volumen ...... 145 - 150 potencia convencional de 100. Presión de Detonación .................... 65 - 70 KB . ( ).Velocidad de Detonación ................ 3000 m/s en 5" de diámetro.Resistencia al agua .......................... Limitada.Categoría de humos ........................ Primera.Densidad ......................................... 1.00 a 1.15 gr/c.c. ( ) Valor del poder rompedor expresado en Kilobares y asimilado al valor de la presión de detonación dentro del plano de Chapman-Jouguet. El poder rompedor es proporcional al cuadrado de la velocidad de detonación por la densidad del explosivo.

EN RESUMEN:

Los explosivos de baja sensibilidad especialmente cuando están cargados en menos diámetros de taladro, requieren mejor grado de primado, tanto en energía como en peso del iniciador, “cuando más insensible sea el explosivo principal más potente debe ser el iniciador”.

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A mayor diámetro del iniciador, mayor es el área de transferencia de la onda de presión en la columna explosiva, llegando a lo óptimo en igualdad de diámetros.

Por lo contrario, a menor diámetro del iniciador la onda de presión debe viajar un tiempo finito, a velocidad transicional, entre su punto de origen y aquel en el que, al irse ampliando su área recién llega a cubrir el diámetro del taladro y lograr la velocidad estable o hidrodinámica en el explosivo principal. Esta distancia representa de uno a varios diámetros del taladro, y cuanto más larga sea, más probabilidades se tiene de entrar en deflagración o en falla.

La presión de detonación del cebo debe ser mayor que la del explosivo principal. Esta presión es la de la onda que se propaga a través de la columna de explosivo aún no reaccionante y no se debe confundir con la presión de explosión o de trabajo, que es la ejercida por los gases resultantes después de la detonación de la columna explosiva contra las paredes del taladro.

En diámetros de 25 a 55 mm, la velocidad hidrodinámica ideal decae drásticamente hasta en 50% (2,400 a 2,500 m/s), alcanzando apenas 12 Kbar de presión de detonación ; por tanto, se hace indispensable compensar la pérdida con un cebo potente, recomendándose colocar como cebo 1 ó 2 cartuchos de dinamita.

Conviene tener en cuenta los siguientes conceptos:

El ANFO tiene los elementos básicos para conbustionar: El Nitrato de Amonio como oxidante y el petróleo como combustible. Para que al inflamarse estos componentes la combustión no sea convencional sino violenta, se requiere de la presencia del elemento sensibilizador que la provoque, este elemento es el aire contenido en los poros de los “prills” de nitrato, el mismo que al ser alcanzado por la onda de choque generada por el iniciador se comprime adiabáticamente y por incremento violento de la temperatura se inflama, dando lugar a la reacción de ambos componentes. Este fenómeno es conocido como “iniciación por puntos caliente o hot points”.

Se entiende que cuanto mayor sea la acción de la onda de choque sobre estos “puntos” la reacción será más efectiva, entrando directamente en el rango de detonación. Un cebado deficiente o el empleo de un nitrato escaso en poros no la provocará, o a lo más dará lugar a una deflagración.

En promedio, la “Potencia Trauzl” de un detonador # 6 está en el rango de 16 cm3 y la de un #12 en 34 cm3. Por otro lado, la de un cartucho de dinamita semigelatina está entre 300 y 400 cm3 según tipo, abismal diferencia.

La función primordial de un detonador temporizado es precisamente distribuir los tiempos de encendido de los taladros para mejorar la fragmentación y reducir las vibraciones, actuando al mismo tiempo como iniciador directo para los altos explosivos sensibilizados, pero no así para los agentes de voladura de baja sensibilidad. Por otro lado la combinación de un detonador de alto rango con un alto explosivo da lugar a un cebado sobresaliente.

El cebado deficiente de los agentes de voladura granulados no solamente se refleja en un bajo rendimiento del disparo, sino que contribuye a la generación de un mayor volumen de gases tóxicos, primordialmente nitrosos, lo que representa un riesgo para el personal y mayor pérdida de tiempo en la limpieza del ambiente.

Un aspecto de gran incidencia en el encendido y el rendimiento general del disparo es el confinamiento del explosivo principal, es decir el grado de acoplamiento explosivo – roca, cuanto más adecuado mejor transferencia de la energía rompedora a la roca. Un confinamiento pobre manifiesta desacoplamento, factor negativo para el arranque porque resulta un mayor tiempo y espacio recorrido de la onda iniciadora a velocidad transicional, además de dar opción a la ocurrencia de tiro soplado, craterización en la boca del taladro, desensibilización por efecto canal y otros. El confinamiento se da mediante el atacado mecánico o neumático del explosivo granular y se refrenda con la colocación de un tapón o taco inerte. Esta configuración retiene a la columna explosiva la fracción de tiempo necesaria para garantizar el arranque eficiente y evitar la ocurrencia de pérdida de energía y permite limitar su longitud a 2/3 del largo del taladro.

Finalmente observamos que muchos problemas de avance, fragmentación, gases, tiros fallados, etc, tienen su origen en un cebado deficiente.

NOTA.- Se entiende por CEBO, PRIMER O CARGA INICIADORA PRIMARIA, a una carga sensible y

potente utilizada para iniciar a la columna principal alojada en el taladro y puede ser:

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El conjunto formado por un fulminante con un cartucho de alto explosivo (Dinamita, Hidrogel o

Emulsión sensible), el fulminante puede ser convencional, eléctrico o no eléctrico.

El cartucho de alto explosivo puesto en contacto por amarre con un cordón detonante.

Estos cebos normalmente se aplican en taladros de pequeño diámetro. Para taladros de gran diámetro

es usual el empleo de un multiplicador comúnmente denominado BOOSTER, activado por cordón

detonante, por un fulminante eléctrico o por un fulminante de tipo no eléctrico, y son de 3 tipos:

- Dinamita encartuchada.

- Hidrogeles o Emulsiones sensibles al fulminante # 8 (Slurry Primer).

- Explosivos fundidos o colados, normalmente TNT y/o pentolita en molde de forma cilíndrica

rígida, denominados CAST PRIMERS o CAST BOOSTERS.

Aunque debe tenerse en cuenta que la real acepción del término BOOSTER en taladros de banco

comprende al PRIMER en una carga base o de fondo de explosivo más denso y rápido que el de la

columna principal, como un SLURRY, una emulsión o un HEAVY ANFO.

REACCION QUIMICA DEL ANFO:

3 N2H4O3 + CH2 3 N2 + 7 H2O + CO2 + O3

Porcentaje en peso de los componentes : - Nitrato de Amonio ............... 94.40

- Petróleo Diesel ( CH2 ) .......... 5.60Densidad : 1.1

Cálculo de Atm-gr de los elementos

Ingredientes Pm %W (peso) C H N O

N2 H4 O3 80.10 94.40 - 4.71 2.36 3.54

CH2 14.00 5.60 0.40 0.80 - -

TOTAL 0.40 5.51 2.36 3.54

Parámetros de Detonación y Explosión del ANFO:- Balance de Oxígeno : -0.025 Atm-gr / 100gr.- Calor de Detonación : 905.2650 Kcal / kgr.- Temperatura de detonación : 3,289.2767 °K.- Presión de Detonación : 83,341.5333 Atm.

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- Velocidad de detonación : 5,679.5789 m/s.- Temperatura de explosión : 2,788.7653 °K.- Presión de explosión : 27,474.2195 Atm.

Punto de inicio de la Punto de inicio de Detonación Autosostenida la Detonación

Iniciación de ANFO con Detonador Simple Solo. ( No deseable )

Iniciación de ANFO con Detonador Reforzado o Mini- Primer. ( Poco Efectivo )

Iniciación de ANFO con Cebo de Menor Diámetro que el del Taladro. ( Adecuado )

Iniciación de ANFO con Cebo de Igual Diámetro que el del Taladro. ( Optimo )

Figura Nro. : DIFERENTES RANGOS DE INICIACIÓN DEL ANFO EN UN TALADRO DE

DIAMETRO DETERMINADO.

PARAMETROS DEL EXPLOSIVOSon los que tipifican a cada explosivo y que sirven también para encontrar sus equivalencias. La selección del más adecuado para el trabajo se basa mayormente en conocer sus características prácticas:

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a) IMPEDANCIA.- Es la capacidad relativa de diferentes explosivos para transferir o transmitir su presión produciendo tensión en una roca dada ; es función de su impedancia de detonación, por lo tanto la impedancia de detonación se define como el producto de la densidad por la velocidad de detonación:

b) VOLUMEN NORMAL DE GASES.- Es la cantidad de gases en conjunto que se generan

como resultado de la detonación de 1 kg. de explosivos a 0 °C y 1 Atm. de presión, expresado en litros por kilogramo de explosivo. Este volumen es un índice de la cantidad de energía disponible para el trabajo a efectuar con el explosivo que generalmente varía en un rango entre 600 y 1000 lts.

c) CATEGORIA DE HUMOS.- Toda detonación de explosivo comercial produce: vapor de agua, N y CO2, y en forma eventual polvo de sólidos. Entre los gases nombrados hay siempre cierto porcentaje de gases que se denominan “humos” tales como: Monóxido de Carbono y Dióxido de Carbono, y de acuerdo a la proporción contenida de estos gases tóxicos se ha hecho una clasificación por grado de toxicidad para la exposición del personal después del disparo.

CATEGORIA DESCRIPCION (*)

PRIMERA de 0 a 0.16 pies cúbicos de CO + NO2

SEGUNDA de 0.16 a 0.33 pies cúbicos de CO + NO2

TERCERA de 0.33 a 0.67 y más pies cúbicos de CO3 + NO2

(*) Cartucho de 1¼" diámetro x 8" de longitud.

La primera categoría es aceptable o se da en labores subterráneas.La segunda categoría es aceptable o se da en labores bien ventiladas.La tercera categoría es aceptable o se da en labores superficiales.

d) PRESION DE TALADROS.- Esta propiedad se refiere a la fuerza de empuje que ejercen los gases de la explosión sobre las paredes del taladro y se expresa en kgr/cm.cuadrado o también en Kbar. Como factor estático de trabajo representa la fuerza básica aplicada a la roca en el momento de la rotura.

Se calcula por la siguiente fórmula:Pt = Pa x Vg x T 273

donde: Pa = Presión Atmosférica. Vg = Volumen de gases producidos por la explosión (litro, O°c y 1 atm). T = Temperatura de la explosión en °C.

e) DENSIDAD DE CARGA.- se refiere a la cantidad de explosivo en peso por unidad de longitud del taladro. Se calcula por la siguiente fórmula.

dc = 0.34 ( de ) d donde: dc = densidad de carga ( lb de explosivo/pie long.tld ).

de = diámetro del explosivo en pulgadas. d = densidad del explosivo en gr/cc

La densidad de los explosivos varía de 0.6 a 1.7 gr/cc. ; cuanto mayor sea ésta, mayor será su velocidad de detonación o mayor el efecto Brizance.

CRITERIO PARA UNA ADECUADA SELECCIÓN DE EXPLOSIVOS* Si se utiliza un explosivo de baja velocidad y baja densidad en roca dura, se requerirá más explosivo

para romperla y más taladros para distribuirlo.

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I = d . V

* La velocidad y la densidad del explosivo debería igualarse lo más posible a la velocidad y densidad del material que va a volarse.

* El explosivo lento trabajará en los menores espaciamientos mientras que el de mayor velocidad y densidad logra hacerlo en los mayores, con ventajas económica.

El incremento de volumen de roca a ser afectada por el explosivo denso produce una reacción concomitante en la cantidad de taladros requeridos para romper un m3.

Recomendaciones Generales para el uso de Explosivos EXSA :

Condiciones del Terreno Tipo de Trabajo Resistencia Humedad Explosivo Recomendado

Minería Subterránea ( Túneles,Galerías , piques,etc ). Duro Seco Semexa 65 %

Presión de taladro ( Pt ) = Presión de explosión x Densidad de carguío = Pe x Dc

Pe = 50 % de la presión de detonación.

Dc = 0.8 a 0.9 .

Ejemplo .- Con 92 % de espacio ubicado por el explosivo tenemos Dc = 0.92.

CONDICIONES DE ROCA

a) DUREZA .- Que nos indica el grado de dificultad para su perforación. Según ello, las rocas pueden ser: suaves, intermedia, duras.

b) TENACIDAD .- Indica la facilidad o dificultad de rotura bajo los efectos de las fuerza de comprensión y tensión producidas por la detonación; de acuerdo a ello se clasifican en: FRIABLES (muy fáciles de romper), Intermedias y tenaces (muy difíciles de romper); por lo tanto “una roca tenaz no siempre será dura”, como por ejemplo: yeso, sal.

c) DENSIDAD .- Nos indica aproximadamente su dificultad de voladura y si va a ser necesario o no usar explosivo de alta presión para romperlo.

d) FRECUENCIA SISMICA.- Es el rango de velocidad con el que las ondas sísmicas atraviesan una roca, debiéndose a la velocidad de detonación de un explosivo similar o mayor para poder romper con facilidad.

d) VARIABILIDAD .- Las rocas no son homogéneas, varían en su composición y textura aún en un mismo yacimiento.

e) TEXTURA Y ESTRUCTURA .- La textura se refiere a la forma de amarre de los cristales y granos, tanto a su distribución y porcentaje; mientras que la estructura se refiere a la forma de presentación de la roca en su yacimiento.

f) GRADO DE ALTERACION .- Las rocas están sujetas a deterioro por efecto de las aguas freáticas, reduciendo la resistencia a las rocas frescas; normalmente la fisuración facilita la descomposición a profundidad de los yacimientos de roca; por otro lado, soluciones silíceas calientes producen endurecimientos y recristalización de rocas suaves por el proceso denominado “silicificación”.

g) GRADO DE FISURAMIENTO .- Indica la intensidad del fracturamiento natural de la roca, el tipo, rumbo y buzamiento de las fisuras, asi mismo las diaclasas, plamos de estratificación y fallas.

h) POROSIDAD .- Califica a una roca como suave y fácil de romper, pero no siempre resulta siendo la porosidad un indicador de la proporción de poros contenidos en la roca y su capacidad para captar y retener agua.

i) HUMEDAD .- Indica el contenido de agua normalmente en %; la capacidad de las rocas para recepcionar agua hasta saturarse se conoce técnicamente como “INBIBICION”. Tanto la porosidad como el contenido de agua tienden a amortiguar a las ondas de explosión.

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CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

Basándose en una gran cantidad de casos típicos de estabilidad en excavaciones subterráneas, BARTON de la NGI, propuso un índice para determinar la calidad del macizo rocosos en túneles, definiéndose como:

Q = ( RQD / Jn ) ( Jr / Ja ) ( Jw / SRF )

donde : RQD = Indice de Calidad de roca. Jn = Número de Sistemas de Fisuras. Ja = Número de rugosidad de las fisuras. Jr = Número de alteración de las fisuras. Jw = Factor de reducción por agua.

Estas constantes tienen su valuación en los cuadros 1 y 2 del texto de Hork.Brown, pag. 38 al 43, que

responden a un minucioso estudio geomecánico del macizo rocoso.

En ese caso, el valor del RQD se calculó empleando la relación siguiente:

RQD = 115 – 3.3 Jv

donde: Jv = densidad de fisuras por metro cúbico.

Resultados del estudio: Jv = 16 fisuras Jn = 9.0

Ja = 2.0 Jr = 1.5 Jw = 1.0 SRF = 1.0

Q = ( 62/ 9 ) ( 1.5 / 2 ) ( 1 / 1 )

Para poder relacionar su índice para túneles Q con el comportamiento de una excavación subterránea y

con las necesidades de Ademe, Barton inventó un elemento cuantitativo adicional que se denomina

"Dimensión equivalente" ( De ) de la excavación por una cantidad llamada "relación de soporte de la

excavación".

De = Altura de la excavación (m) ESR

Entonces, haciendo uso de la tabla 3 se determina:

De = 2 / 16 = 1.25

Con los datos de Q y De nos vamos al Abaco construído por la NGI (tabla 4).

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Como se muestra con estos datos, nuestra excavación no requiera reforzamiento (autosostenimiento).

CRITERIOS PARA ESTIMAR LA COMPETENCIA DE UN TIPO DE ROCA

TIPO DE ROCA ENSAYOS GEOMECANICOS: RESISTENCIA A LA COMP.

UNIAXIAL (Kgr/cm2)

VELOCIDAD DE PERFORACION

(mts/min) – Jack Less

ROCA COMPETENTE 1,000 0.24

ROCA DE COMPETENCIA MEDIA 400 0.40

ROCA POCO COMPETENTE 100 0.65

La relación entre la velocidad de penetración y la resistencia a la compresión uniaxial de una roca está establecida por la siguiente relación:

V = velocidad de penetración en mt./min. C = resistencia a la compresión en kg/cm2. N = potencia de la perforadora. D = diámetro del taladro en mm.

EXPANSION O ESPONJAMIENTO

Es el aumento de volumen que se produce en el material rocoso al excavarlo. Se expresa mediante

porcentaje de aumento sobre el volumen original " in situ ", denominándose " Factor de Conversión

Volumétrica " a la relación entre la densidad del material suelto y la del material in situ, expresándose

en porcentaje.

f.c.v = ( Kg/m3 de material suelto ) / ( Kg/m3 de material in situ )

% E = % Expansión = ( 1 / f.c.v ) x 100

Clacificación de la roca de la Mina San Francisco #5 para voladura : Relativamente dura a intermedia.

Dureza del mineral : 6 ( cuarzo ferruginoso ).

Tenacidad o cohesión : Roca friable.

Peso específico del mineral : 2.7 .

Peso específico de la roca encajonante : 2.6 .

Coeficiente de Expansión : 2.0 .

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300 x N V = ( C + 3.6 ) x D2 100

PERFORACION : EQUIPOS USUALES

La perforación es la primera operación en la preparación de una voladura. Su propósito es el de abrir en

la roca huecos cilíndricos de diámetro limitado para acomodar el explosivo y sus accesorios iniciadores,

buscando la máxima penetración al menor costo operativo.

Se basa en los principios mecánicos de percusión y rotación, cuyos efectos de golpe y fricción producen

el astillamiento y trituración de la roca en un área equivalente al diámetro de la broca y hasta una

profundidad dada por la longitud del barreno utilizado. En esta operación tienen gran importancia las

características de dureza de la broca ( Brinell, o resistencia al desgaste ), la dureza de la roca ( Escala de

Mohs o resistencia al corte o rayado ) y la abrasividad del material pétreo, que influye en el desgaste de

la broca y por ende en el diámetro final de los taladros cuando ésta se adelgaza ( brocas chupadas ).

La perforación puede efectuarse por : Percusión, Percusión-Rotación y por Rotación. En nuestro caso se

efectúa por Percusión-Rotación, con efecto de golpe, corte y giro, ya que usamos las perforadoras

neumáticas comunes.

El equipo básico de perforación está compuesto por : Compresora, perforadora o martillo, barrenos

integrales y aditamentos necesarios como mangueras, coplas, aceitadoras, botellón para agua y

pulmones para aire comprimido.

Se usan las perforadoras manuales Puma BBC-16-01W - Atlas Copco para hacer taladros de 1" a 2" de

diámetro ( 25 - 50 mm ).

Los barrenos integrales son varillas de acero con la pastilla cortante de diamante industrial en la cabeza,

muy resistentes al impacto. Transmiten el impacto del martillo a la roca, son de forma hexagonal y con

un agujeronen su eje axial para el paso del agua usado como barrido del ripio de perforación. Sus

dimensiones usuales son de 32 mm ( 1 1/4 ), 38 mm ( 1 1/2 ), 41 mm ( 1 5/8 ), y su longitud varía de 2 a

5 pies para nuestro caso.

Normalmente la presión de trabajo con martillos a la cabeza es de 6 a 7 bares.

ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LA PERFORADORA PUMA BBC - 16W

Peso ................................................ 26.00 kg.

Diámetro de taladro ............................... 27.40 mm.

Presión Neumática ............................... 6.00 Bar.

Consumo de aire a 6 Bar ......................... 134 CFM ó m3/min.

Consumo de agua ................................ 3.00 lts/seg.

Velocidad de perforación ........................ 0.25 mt./min.

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PARAMETROS PARA DETERMINAR LA DIMENSION DE CARGA (B)

TIPO DE ROCA

DENSIDAD DE ROCA

(gr/cc)

DENSIDAD DE EXPLOSIVOS

(gr/cc)

VELOCIDAD DE

DETONACION( mt. / s )

Kgr

(I)ROCA

BLANCA2.2

Anfo : 0.78-0.85-0.95Examon : 0.55-1.00-1.05Exadit : 1.02 a 1.05

3,000 – 4,3002,800 – 3,4003,400 – 3,600

20-25

(II)ROCAS

INTERMEDIAS

2.7

Semexa : 1.08-1.10-1.12- 1.18Lurigel : l..16-1.20-1.24

Slurrex : 1.15-1.20-1.25- 1.35

3,800 - 4,000 4,200 - 4,500

3,600 - 5,000- 5,200

4,200 - 5,400

30

(III)ROCAS

DURAS A EXTREMADA

DURAS

3.2Gelatina : 1.38 - 1.42Emulsión : 1.25 - 1.31Booster : 1.65

5,500 – 6,0005,8007,000

40

( B = Burden en pies )

ROCA DENSA EXPLOSIVOS LIGEROS 20ROCA PROMEDIO EXPLOSIVOS LIGEROS 25

ROCA LIGERA EXPLOSIVOS DENSOS 40

* En la práctica es recomendable usar un valor ligeramente menor al del valor crítico. * Ajustes hechos: - Características de la roca

- Características de los explosivos - Fragmentación - Desplazamiento deseado

DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE CARGA (AN/FO)

DENSIDAD DELANFO 94 / 6

( gr / cc )

FORMA DE CARGUIODEL TALADRO

VELOCIDAD DE DETONACION(Pies/seg)

< 0.78 A 0.85 >Cargado en un taladro a mano sin presión.

d = 0.85 gr / cc.< 10,000 a 14,000 >

Calor Generado = 900 Kcal/Kg.

1.10Cargado en un taladro por confinamiento a taco.

Máxima densidad práctica de las mezclas ANFO. A una densidad mayor que 1 gr / cc tiene un de velocidad de 1500 pies / seg. mayores.

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* Cuando la densidad es mayor, la sensibilidad del ANFO decrece rápidamente (se vuelve inerte).

DISEÑO DE UNA MALLA DE PERFORACION

Todo diseño de malla de perforación tiene como base la determinación del radio crítico de voladura que es llamado Burden (B) que viene a ser la línea o distancia más cercana a la casa libre.Muchos investigadores han propuesto, siendo uno de ellos Pearse de la MANSATO CHEMICAL que dice:

B = ( K / 12 ) (Pd / T ) D

donde: B = Burden en pies (radio crítico) K = Factor que depende del explosivo y la roca, varia entre 0.7 y 1.0 siendo 0.8 para la mayoría de los casos. Pd = Presión de detonación de la mezcla explosiva. Kgr/cm2 (Mpa) T = Resistencia a la tracción. Kg / cm2 ó Resistencia Tensiva dinámica de la roca ( Mpa ).

D = Diámetro del taladro en pulgadas.

La ecuación anterior con una limitación respecto a lo que viene a ser la densidad de carga y factor de potencia, en Sud Africa se ha desarrollado una técnica para afinar el Burden con los parámetros anteriores, siendo la propuesta:

B x S = ( de / Pf )

De = Kg / mt. Pf = Kg / mt.cúbico.

B = S (malla cuadrada).

B = de / Pf

Con la ecuación de Pearse se determina el número de taladros así:

Nt = (L / B ) ( P / S )

Calculado el Nt, teniendo el volumen a ser volado, y la tentativa de un 65% a 70% de carga de columna se determina la densidad de carga y el factor de potencia.Una vez aplicado estos cálculos a la práctica y si no se lograran los resultados adecuados se realizarán los ajustes correspondientes teniendo en consideración las características geomécanicas.

ROCAVELOCIDAD DE PENETRACION

( mt / min )RESISTENCIA A LA COMPRESION

(Mpa)

INTRUSIVO 0.40 55

MINERAL 0.88 59

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RATIOS DE PERFORACION.- Los factores que miden la eficiencia de perforación de un tajeo,

una zona o de la mina en general son:

Factor de perforación, que es la relación entre la cantidad total de pies de perforación

complementaria y el total de pies de perforación primaria; siendo la primera de los nombrados la

suma de perforación secundaria, desquinche y perforación auxiliar.

Toneladas métricas notas por pie perforado.

Pies perforados por barreno.

VOLADURA CONTROLADA

BURDEN Y ESPACIAMIENTO :Para obtener resultados óptimos en la voladura controlada , la relación entre el espaciamiento E y el

burden B de los taladros de contorno ( E / B ) debe estar en el rengo de 0.5 a 0.8.

PRESION EN EL INTERIOR DEL TALADRO :En la voladura controlada la presión dentro del taladro debe ser menor que el esfuerzo compresivo dinámico de la roca. La ecuación propuesta por el Dr. A.Bawer es como sigue :

( Vd )PT = 2.28 x 10 x d1

( 1 + 0.8 d1 ) Donde : PT = Presión dentro del taladro ( Mpa ).

Vd = Velocidad de detonación ( mt / s ). d1 = Densidad del explosivo ( gr / cc ).

Para bajar PT se tendría que disminuir la densidad, es decir, bajar el porcentaje de ingrediente que le da mayor densidad a la mezcla explosiva, adicionar a la mezcla materiales conteniendo aire atrapado, disminuir la velocidad de detonación. Todo lo mencionado no está bajo el control del operador de mina; pero logrando un efecto amortiguador, desacoplando, aumentando el espaciado de carga en el taladro, se puede disminuir PT en la operación de la mina.

PRESION EN EL INTERIOR DEL TALADRO PARA UNA CARGA EXPLOSIVA DESACOPLADA :

El criterio general para obtener una buena voladura controlada, es que la carga explosiva esté distribuida a lo largo del taladro y desacoplado en las paredes; para calcular en cuanto disminuye la presión del taladro, se usa la siguiente ecuación :

( PT )dc = ( PT )c ( CR )

donde : ( PT )dc = Presión dentro del taladro para

la misma carga explosiva con un buen acoplamiento. CR = Relación de acoplamiento.

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La relación de acoplamiento está dada por la siguiente ecuación, cabe recalcar que C = 1 si los taladros de la línea de amortiguación se cargan igual que los taladros de producción :

CR = C ( re / rn )

Donde : CR = Relación de Acoplamiento. C = Fracción de la columna explosiva que ha sido cargada con respecto a la carga normalmente realizada. re = Radio de la carga explosiva. rn = Radio del taladro.

Para diámetros de 32 mm. se usa un burden ( B ) de 0.80 y un espaciamiento de 0.70.En la voladura controlada los cartuchos de dinamita son de menor diámetro que el diámetro del taladro y el tiro es simultáneo. Se usan explosivos de baja energía, baja velocidad y baja densidad de carga.

CALCULO DEL NUMERO DE TALADROS EN UN FRENTE SUBTERRANEO

" La profundidad del taladro no puede ser mayor que el ancho del túnel, para esto se utiliza el corte angular y así se llega a limitar la profundidad de los taladros ".Para calcular el número de taladros en un frente subterráneo, podemos usar la conocida fórmula :

Nt = P + K S E

donde : P = Perímetro = S E = Espaciamiento. K = Constante de roca. S = Sección del frente ( mt ).

La siguiente tabla ilustra los valores de K y E para diferentes tipos de roca :

TIPO DE ROCA K E

Dura 2.0 0.5

Semidura 1.5 0.6

Blanda 1.0 0.7

CALCULO DEL NUMERO DE TALADROS DE ACUERDO AL COEFICIENTE DE RESISTENCIA A LA COMPRESION

n = 2.7 f / S

donde : n = Número de taladros / mt .

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f = Coeficiente de resistencia ( Kg / cm ).

S = Sección del frente ( mt ).

Nt = n . S

Donde : Nt = Número de taladros por frente.

CORTE CON TALADROS PARALELOS

DE DL

B'

En este tipo de corte es muy importante el Burden entre el taladro grande y el más próximo a él, lo que se puede estimar con la siguiente relación :

BURDEN = B = 0.7 X Diámetro del taladro central

El Burden no debe confundirse con la distancia entre centros de los mismos, normalmente utilizadas. En el caso de emplear dos taladros de gran diámetro, la relación se modifica a:

B = 0.7 x 2 veces el diámetro del taladro central.

CALCULOS DE PERFORACION Y CARGA

1. Estime un diámetro grande en relación con la profundidad del taladro que permita al menos un avance de 95 % por disparo.Como alternativa perfore varios taladros de pequeño diámetro de acuerdo a la siguiente fórmula :

D = d . n

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donde : D = diámetro grande supuesto. d = diámetro grande supuesto. n = número de taladros grandes.

2. Calcule el burden máximo en relación con el diámetro grande de acuerdo a la siguiente fórmula :

Primer cuadrilátero B 1.5 D .donde : B = Burden máximo = c / c = distancia del hueco grande al hueco pequeño , expresado en metros. D = Diámetro del hueco grande expresado en metros.

Segundo Cuadrilátero B B'.donde : B = Burden máximo en metros. B'= Ancho de apertura , laboreo ( metros ).

3. Siempre calcule la desviación de la perforación, una fórmula adecuada es la siguiente :

F = B ( 0.1 +/- 0.03 H )

donde : F = Desviación de la perforación ( metros ). B = Burden máximo ( metros ). F H = Profundidad del taladro ( metros ).

Para obtener el burden práctico, reducir el burden máximo por la desviación de la perforación ( F ).

4. Siempre perfore los taladros según un esquema estimado. Un taladro demasiado profundo deteriora la roca, y uno demasiado corto deja que parte de la roca no se fracture. Así las condiciones desmejoran para la siguiente ronda disminuyendo el avance por disparo como resultado final.

5. Calcule las cargas en relación con el máximo burden y con cierto margen de seguridad.6. Seleccione el tiempo de retardo de manera que se obtenga suficiente tiempo para que la roca se

desplace. Los dos primeros taladros son los más importantes.

CALCULO DE LA CARGA EN LOS TALADROS DE CORTE

Para poder calcular en los distintos casos que se presenta, es necesario conocer la línea de menor resistencia ( burden o piedra = B ), que es la distancia más corta que existe de un taladro al espacio vacío.SISTEMAS DE FRANQUEO .Los taladros se ubican de acuerdo al papel que van a cumplir; después de haber hecho el franqueo, se determina la sección del túnel.1. El taladro actúa sobre un espacio libre :

0.35 B 3/2.Sen0

donde : Lc = Longitud de carga ( Kg / mt ). B = Distancia ala cara libre ( mt ).

0 = 1/ 2 <

tg O = B' / B 0 = arc.tg B' / B.

B' = Radio del espacio vacío.

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2. La cantidad de carga de acuerdo al ángulo de constricción :

B

B A

el ángulo de constricción 01 cartucho pesa 0.10 gr.

0.55 ( A - O / 2 )

( Sen B )

donde : Lc = Longitud de carga ( Kg / mt ). A = Distancia del taladro a la cara libre. O = Diámetro en metros.

Long. taladro = 6 pies

Long.de carga = 4 pies L.Taco = 2 pies

Longitud de carga = Longitud del taladro - Longitud de taco

3. Cuando existe más de un espacio libre :

a d

D

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L c = c . d ( a / D ) ( a - D / 2 )

donde : Lc = Longitud de carga ( Kg / mt ). c = 6.1211 x 10 exp.-6. d = Diámetro de taladros cargados. D = Sumatoria de diámetros de taladros vacíos. a = Distancia entre centros de taladros vacíos y cargados.

A = 0.7 D

La mayor o menor cantidad de carga es función del ángulo de constricción :- Cuanto más grande sea el ángulo, se necesita mayor cantidad de carga.- Cuanto más abierto sea el ángulo, se usa menor cantidad de carga.

EVALUACION DE LA VOLADURA.

1. Volumen o tonelaje del material movido .- Deberá ser igual o cercano al volumen o tonelaje teórico calculado previamente.

2. Avance del frente disparado .- En túneles deberá ser al menos igual a la profundidad de los taladros mientras que en bancos de superficie deberá sobrepasar la última fila de taladros.

3. Grado de fragmentación del material roto .- Se debe observar el porcentaje de pedrones grandes resultantes que tendrán que ser reducidos posteriormente con voladura secundaria. El tamaño de los fragmentos depende del tipo de trabajo en que se va a emplear el material, pero por lo general la fragmentación demasiado gruesa o demasiado menuda son inconvenientes.

4. Sobrerotura ( Over-Break ) .- La sobrerotura en túneles debilita y agrieta la roca en toda la superficie afectándola a veces a profundidades de hasta 2 metros, lo que obligará a usar sostenimiento para evitar el colapso del techo o paredes, con incremento de costo y riesgos.

5. Dispersión de fragmentos a distancia ( Spill ) .- Tiene el inconveniente de "diluir" al material de valor económico al mezclarlo con desmonte cuando se desparrama lejos de la cara de voladura, además de incrementar el riesgo de proyección de fragmentos volantes. Generalmente indica una excesiva carga explosiva hacia el cuello del taladro o falta de taco.

6. Nivel de piso en bancos . - El piso de los nuevos bancos disparados debe resultar al mismo nivel que el existente. Si se presentan lomos o " toes " debe presumirse falta de carga al fondo o muy poca sobreperforación.Mantener el nivel del piso en las galería y túneles es indispensable para el drenaje de agua y para el tendido de líneas de riel en los lugares donde se utiliza transporte con locomotoras.

7. Acumulación del material empujado .- Debe ser adecuada para facilitar las operaciones de carga y acarreo. La forma aproximada de los montículos de detritus de voladura se consigue con el trazo de perforación, forma de amarre de las líneas de cordón, distribución de los retardos y de la disposición de las caras libres.

8. Falta de desplazamiento .- Cuando un disparo rompe material y no lo mueve de su sitio se dice que el tiro se ha " congelado " , esto se traduce en mala fragmentación en la parte inferior o interior del banco, en dificultad para la remoción y carga del material roto y en riesgo de encontrar material explosivo no detonado. Esto ocurre generalmente cuando falla el arranque del disparo o cuando los retardos no funcionan o no han sido distribuidos adecuadamente." La acumulación y el tamaño de los fragmentos resultantes son factores importantes para determinar el método de carga y transporte. La dispersión y la sobrerotura tienen significado en seguridad, en la dilución y en el programa de perforación posterior. El avance y volumen o tonelaje movido representan el resultado económico de la voladura "." Para la determinación del costo total de una voladura se tendrá en cuenta además de la planilla de gastos en perforación, explosivos y personal, a los resultados generales del disparo en relación a los fines perseguidos o a la necesidad de mayores gastos posteriores como por ejemplo voladura secundaria o equipo de carga. El costo de material y mano de obra se compensa con rendimiento por disparo, teniendo la economía en este sentido un límite en el punto en que la voladura presente más problemas que soluciones ".

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COMPORTAMIENTO MECANICO DE LAS ROCASLa resistencia al esfuerzo de compresión simple es el ensayo más importante para las rocas ya que tienen muy baja resistencia a cualquier otro tipo de esfuerzo. Se mide con probetas cúbicas sometidas a una presión constante ( 140 Kg / cm2 / minuto ) en prensa hidráulica hasta su rotura. Las dimensiones de la muestra con variables según la dureza estimada ( 5.7 y 10 cm. de arista ).La forma de rotura varía según la naturaleza de la roca, las muy tenaces se rompen según columnillas o prismas rectos (A), y las débiles o friables según planos que pasan por las aristas del cubo desprendiendo en cierto momento 4 casquetes que la dejan como dos troncos de pirámide unidos por sus bases menores, hasta su rotura total. F F

A) B)

R R

La resistencia ala compresión se indica como : P/S = Kg /cm2 , donde " P " es la carga en Kilogramos y " S " la superficie en centímetros cuadrados de una de las caras de la muestra ( o la media de las dos si no son iguales ), promediándose por lo menos seis ensayos teniendo en consideración el estado de sequedad o saturación de la muestra ( probetas embebidas en agua o desecadas a peso constante ).Para otros esfuerzos se considera la siguiente escala de valores : FLEXION o doblado ........................ 1/10 del coeficiente de compresión. CORTE o cizalla .............................. 1/15 del coeficiente de compresión. TENSION o tracción ........................ 1/30 del coeficiente de compresión.

ACCESORIOS DE VOLADURA

Son los elementos físicos que se utilizan para provocar la detonación inicial de una voladura. Comprende los siguientes elementos :a) Iniciadores :

Son los que producen el arranque de la explosión de la carga principal, mediante el estímulo de una pequeña detonación. Entre ellos tenemos:-Fulminante simple o común .- Consiste en una cápsula cilíndrica de aluminio o de cobre, de unos 6.5 mm de diámetro por 38 a 45 mm de largo ( Famesa # 6 : 6 mm x 45 mm ), cerrada en uno de sus extremos, que contiene una carga primaria de explosivo sensible ( azida de plomo, fulminato de mercurio, etc. ) pegada al fondo. Al insertarle una mecha de seguridad y prenderla, la llama producida por la pólvora inflama a la carga primaria y la hace deflagrar, ésta a su vez hace explotar a la carga base, produciendo esta última la detonación del explosivo rompedor ( dinamita u otro ).- Detonadores eléctricos instantáneos y de retardo.- Detonadores no eléctricos instantáneos y de retardo.- Retardadores para cordón detonante.- Conectadores para mecha de seguridad.- Iniciadores reforzadores para Agentes de Voladura (boosters ) instantáneos y con retardo

incorporado.

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b) Mechas de Encendido :- Mecha de Seguridad ( mecha lenta ) .- Accesorio tubular, flexible y delgado que se emplea

para iniciar el fulminante común mediante la ignición de un núcleo de pólvora. Actúa como medio por el cual se transmite el fuego a una velocidad uniforme hasta el fulminante o el explosivo que se pretenda iniciar.Consiste en un alma de pólvora, muy pareja y homogénea, forrada por varias capas de recubrimiento de papel, hilo y plástico impermeable que se debe quemar a una velocidad determinada y permanente y proporcionar una chispa suficiente para encender a la carga sensible del fulminante. Su diámetro exterior es de 5 mm, el alma de la pólvora de 6 gr/mt y el tiempo de combustión de 60 seg/pie. Este aspecto ews muy importante ya que la seguridad de los trabajadores se basa en el tiempo que demora en quemarse una mecha de longitud determinada.

METODOS DE INICIACION O DE ENCENDIDO

Son los procedimientos empleados para iniciar la detonación de una voladura.Se clacifica en 4 grupos : Iniciación con mecha y fulminante. Iniciación eléctrica. Iniciación con cordón detonante. Iniciación no eléctrica ( sistema nonel ).

Iniciación con mecha.- Normalmente recomendada para hacer detonar una sola carga, pero es aún muy empleada en trabajos subterráneos especialmente por su menor costo, y por ser accesible a personal poco entrenado. Sus elementos son : la mecha de seguridad con núcleo de pólvora negra y el fulminante ordinario.}La unión de la mecha con el detonador debe ser realizada con gran cuidado, utilizando máquinas fijadoras para evitar el ingreso de agua o polvo a la carga explosiva, que es muy sensible a la humedad.El orden de encendido de las mechas en un disparo proporciona la secuencia de salidas, por ello debe prenderse primero los de los taladros de arranque. También empleo de mechas de diferentes longitudes ayuda a tener secuencias de tiempo.

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